T.C.
SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
FOTOVOLTAİK SİSTEM ENTEGRELİ AKILLI ŞEBEKE İÇİN ZİGBEE AYGITLARI
İLE ENERJİ KONTROLÜ VE İZLEMENİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
Hale BAKIR YÜKSEK LİSANS TEZİ
Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı
Temmuz-2016 KONYA Her Hakkı Saklıdır
TEZ BİLDİRİMİ
Bu tezdeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edildiğini ve tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.
DECLARATION PAGE
I hereby declare that all information in this document has been obtained and presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all material and results that are not original to this work.
Hale BAKIR Tarih:13.07.2016
iv ÖZET
YÜKSEK LİSANS TEZİ
FOTOVOLTAİK SİSTEM ENTEGRELİ AKILLI ŞEBEKE İÇİN ZİGBEE AYGITLARI İLE ENERJİ KONTROLÜ VE İZLEMENİN
GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
Hale BAKIR
Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı
Danışman: Doç. Dr. Ahmet Afşin KULAKSIZ
2016, 79 Sayfa Jüri
Doç. Dr. Musa AYDIN Doç. Dr. Ahmet Afşin KULAKSIZ Yrd. Doç. Dr. Mümtaz MUTLUER
Elektrik enerjisi talebini karşılamak için yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı her geçen gün artmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının (YEK) kullanımının yaygınlaşması, geleneksel şebeke sistemlerinin akıllı şebekeye dönüştürülmesini zorunlu kılan sebeplerden biridir. Akıllı şebekelerin bazı en önemli faydaları, enerji kesintilerinin önlenmesi, aşırı yük ve arıza durumlarında sistemi kontrol altına almak, tüketim ve enerji kayıplarını kontrol ederek yenilenebilir enerji kaynaklarının sisteme dâhil edilmesini kolaylaştırmaktır. Sonuç olarak şebeke güvenilirliğinin sağlanmasında oldukça önemli işlevi vardır.
Bu çalışmada akıllı şebekeler için, şebeke bağlantılı fotovoltaik (FV) güç sisteminde gerçekleştirilen Arduino kontrollü bir enerji yönetimi uygulaması önerilmiştir. Sistemde pik talebi azaltmak, elektrik tüketimini daha verimli ve daha akıllı hale getirerek enerji tasarrufu elde etmek amaçlanmıştır. En yaygın tüketici talep cevap programı, bir evdeki veya işyerindeki cihazların enerji tüketimini takip ederek bunları kontrol eden ev enerji yönetim sistemleridir (EEY). Fotovoltaik enerji bağlantısına sahip bir güç sisteminde, ZigBee kablosuz ağı ile uzaktan yük kontrolü sağlanarak, akıllı şebeke mimarisi için örnek bir uygulama gerçekleştirilmiştir. EEY sistemi ile maksimum gücün sınırlandırılması, yüklerin ötelenmesi, cihazların çalışma zamanlarının ayarlanması ile tasarruf ve puant güç talebinde azalma gibi faydalar elde edilmesi için algoritma tasarlanmıştır. EEY algoritmasının karar aşamasında bulanık mantık denetleyici kullanılmıştır. Önerilen ev enerji yönetimi, yükü etkili bir şekilde devreye almakta, kontrol etmekte ve başarılı bir şekilde test edildiğinde ve uygulandığında enerji maliyetinin yaklaşık %15 oranında azaltılmasında etkili olduğu deneysel sonuçlarda görülmektedir.
Anahtar Kelimeler: Akıllı Şebeke, Ev Enerji Yönetimi, Fotovoltaik Enerji, ZigBee Kablosuz Algılayıcı Ağı
v ABSTRACT
MS THESIS
ENERGY MANAGEMENT AND MONITORING WITHIN PHOTOVOLTAIC SYSTEM INTEGRATED SMART GRID USING ZIGBEE DEVICES
HALE BAKIR
THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE OF SELÇUK UNIVERSITY
THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE IN ELECTRICAL-ELECTRONICS ENGINEERING
Advisor: Assoc. Prof. Dr. Ahmet Afşin KULAKSIZ 2016, 79 Pages
Jury
Assoc. Prof. Dr. Musa AYDIN Assoc. Prof. Dr. Ahmet Afşin KULAKSIZ
Asst. Prof. Dr. Mümtaz MUTLUER
The use of renewable energy sources to meet electricity energy demand is increasing day by day. The increasing applications of interconnection of renewable energy sources (RES) is one of the reasons that mandates transformation of conventional power systems to smart grids. The major benefits of smart grids are that they prevent power outages, take control of the system from overload and fault conditions and by controlling consumption and energy losses, they can ease incorporation of renewable energy sources. As a result they can be crucial to provide network reliability.
In this study, for smart grids, an Arduino controlled energy management application implemented in a grid-connected photovoltaic (PV) power system was proposed. The objective of the system is to reduce peak demand, gain energy savings by making electricity consumption more efficient and smarter. The most common consumer demand response program is energy management system that monitors and control the energy consumption of the electrical appliances in a household or in commercial buildings. By remotely controlling the loads by means of ZigBee wireless networks, an application example for intelligent network architecture was implemented in a power system consisting of photovoltaic energy source. For home energy management (HEM) system, an algorithm was designed for limiting maximum power, displacement of the appliances, setting the operation time of the appliances and thus obtaining benefits such as reduction in peak power demand and gaining savings. In the decision process of the algorithm of HEM, fuzzy logic control was employed. The proposed home energy management can effectively operate and control the loads, and after the successful implementation and evaluation, it was observed from experimental results that the energy costs can be reduced about 15%.
Keywords: Smart Grid, Home Energy Management, Photovoltaic Energy, ZigBee Wireless Sensor Network
vi ÖNSÖZ
Bu tez çalışmamda değerli katkı ve fikirleri ile beni yönlendiren, teşvik eden, daima en iyinin ve doğrunun olması için çalışan ve benim iyi bir akademisyen olmam için emeğini esirgemeyen danışman hocam Sayın Doç. Dr. Ahmet Afşin KULAKSIZ’a sonsuz teşekkürlerimi ve saygılarımı sunuyorum. Ayrıca diğer bölüm hocalarıma ve mesai arkadaşlarıma minnettarlığımı sunarım.
Tez çalışmam sırasında ve hayatımın her anında yardımını, anlayışını ve desteğini esirgemeyen çok sevdiğim eşim Cihad BAKIR’a ve bu günlere gelmemi borçlu olduğum babam Hayati TORUN, annem Filiz TORUN’a en içten teşekkürlerimi, saygılarımı ve minnettarlığımı sunarım. Son olarak bana yaramazlıklarıyla her daim yardımcı olan ve eve her gidişimde bana motivasyon ve huzur verdiği için hayattaki en önemli varlığım canım oğlum Zülfü Ali BAKIR’a sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
Hale BAKIR KONYA-2016
vii İÇİNDEKİLER ÖZET ... iv ABSTRACT ... v ÖNSÖZ ... vi İÇİNDEKİLER ... vii SİMGELER VE KISALTMALAR ... ix 1.GİRİŞ ... 1
1.1. Tez Çalışmasının Amacı ve Önemi ... 2
2.KAYNAK ARAŞTIRMASI ... 4
3. MATERYAL VE YÖNTEM ... 9
3.1. Akıllı Şebekeler ... 9
3.1.1. Akıllı şebeke için gerekçeler ... 10
3.2. Talep Tarafı Entegrasyonu ... 12
3.3. Fotovoltaik Sistemler ... 13
3.3.1. Şebekeye bağlı fotovoltaik sistem ... 15
3.3.2. Şebekeden bağımsız fotovoltaik sistem ... 16
3.4. İnverter (Evirici) ... 18
3.5. Enerji Analizörü ... 19
3.6. Arduino Mega ... 20
3.7. CC2530 ZigBee Geliştirme kiti ... 21
3.7.1. ZigBee kablosuz ağın temel özellikleri ... 22
3.7.2. ZigBee Geliştirme Kit içeriği ... 23
3.7.2.1. SmartRF05EB (Değerlendirme bordu) ... 25
3.7.2.2. CC2530 değerlendirme modülü (kit) ... 25
3.7.2.3.CC2531 USB ... 26
3.7.2.4. SmartRF05BB (Batarya bordu) ... 26
3.8. Röle ... 27
3.9. RTC (Real Time Clock) - Gerçek Zaman Saati ... 28
3.10. Bulanık Mantık Denetleyici ... 29
3.10.1. Bulanık kontrol sistemi ... 30
3.11. Yöntem ... 35
4.ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA ... 40
4.1. Sistem Tasarımı ... 43
5.SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 52
5.1 Sonuçlar ... 52
5.2 Öneriler ... 53
viii
7.EKLER ... 60
EK-1 Tez İçin Yazılmış Arduino Programı ... 60
EK-2 ZigBee-Protokolü ile Yazılmış Program ... 69
EK-3 Kullanılan Üretim ve Tüketim Değerleri ... 77
ix SİMGELER VE KISALTMALAR Simgeler A :Amper Ah :Ampersaat kg :Kilogram kB :Kilobayt m :Metre V :Volt W :Watt Kısaltmalar AC :Alternatif Akım
ADC :Analoğu Dijitale Dönüştürücü (Analog to Digital Converter) BMD :Bulanık Mantık Denetleyici
CO2 :Karbondioksit
DC :Doğru Akım
DSP :Sayısal İşaret İşlemci
EB :Değerlendirme bordu (Evaluation Board)
EEY :Ev Enerji Yönetimi
EPDK :Enerji Piyasası Denetleme Kurulu
FV :Fotovoltaik
GSM :Mobil İletişim için Küresel Sistem (Global System for Mobile Communications)
IEEE :Elektrik Elektronik Mühendislik Kurumu (The Institue of Electrical and Electronics Engineers
IPV6 :İnternet Protokol Sürümü-6(Internet Protocol Version-6)
ISM/SRD :Bilimsel ve Tıbbi Cihaz Bandı (Industrial Scientific Medical Band)
LCD :Sıvı Kristal Ekran (Liquid Crystal Display )
LR-WPAN :Düşük Oranlı Kablosuz Kişisel Alan Ağı (Low-Rate,Wireless Personal Area Network)
MCU :Mikrodenetleyici
OEM :Orjinal parça üreticileri
PWM :Darbe Genişlik Modülasyonu (Pulse Width Modulation) RF :Radyo Frekansı (Radio Frequency)
RTC :Gerçek Zaman Saati (Real Time Clock)
TI :Texas Instruments
TOU :Kullanım süresi (Time of Use) USB :Universal Serial Bus
YEK :Yenilenebilir Enerji Kaynakları
YSA :Yapay Sinir Ağı
ZDK :ZigBee Development Kit
WLAN :Kablosuz Yerel Alan Ağı (Wireless Local Area Network) WPAN :Kablosuz Kişisel Alan Ağı (Wireless Personal Area Network
1.GİRİŞ
Günlük yaşamda birçok yerde kullanılan enerjinin, ülkelerin sosyal ve ekonomik yapısı içerisinde yeri ve önemi büyüktür. Elektrik enerji sistemleri temelinde talebin zamanında, sürekli ve ekonomik bir şekilde karşılanması istenmektedir (Taner, 2011). Ayrıca, enerjinin üretim, iletim ve dağıtım aşamalarında da teknoloji odaklı planlamalar üzerine çalışılmalıdır. Tüketici ile uyumlu ve tüketimin gerçek zamanlı olarak izlenip kontrol edilebildiği yeni bir enerji sisteminin geleneksel sistemlerin yerini alması planlanmaktadır (Amin & Wollenberg, 2008). Bu kapsamda “Akıllı Şebekeler (Smart Grids)” ismi gündemde dikkat çekmiş ve merak uyandırmıştır. Akıllı şebeke modeli daha verimli ve etkin bir enerji yönetim sistemi sağlamaktadır.
Tüketicinin talebi ve üreticinin arzı arasında çift yönlü haberleşme yapma imkânına sahip olan akıllı şebekeler, sistemin sürekli izlenmesi ve kontrol edilmesini sağlayan bir enerji yönetim sistemi içerir. Akıllı şebeke, elektrik enerjisinin üretimi, iletim-dağıtımı ve tüketiciler olmak üzere 3 temel kontrol biriminden oluşan bir sistemdir. Kendisine bağlı tüm kullanıcılara verimli, sürekli, ekonomik ve güvenilir elektrik enerjisi sağlamak amacını taşırlar. Bu sistem sayesinde tüketici elektrik sistemindeki işletme optimizasyonunda rol oynama imkânına sahip olur. Bununla birlikte elektrik satın alabilme imkânına sahip olmak için tüketiciler daha dinamik fiyatlandırma otomasyonu yapabilirler. Sonuç olarak kullanıcılar, akıllı şebekelerin fiyat sinyallerine göre tüketim üzerinde aktif rol oynayabilirler (Giordano & Fulli, 2012).
Enerji yönetim uygulamaları, akıllı şebekelerin en önemli araştırma ve uygulama konularından biridir. Yük tarafı yönetimi ve talep tarafı cevabı gibi tüketiciye imkân veren yönetim tekniği başlıca yöntemlerdendir (Shao, Pipattanasomporn, & Rahman, 2011). Enerji yönetim uygulamaları ile hem kullanıcıya hem de elektrik şirketlerine faydalar sağlanmaktadır. Şirketler enerjiyi müşteriye güvenilir ve sorunsuz şekilde sunarlar, tüketiciler de bu imkân ile enerjiyi daha ekonomik bir şekilde kullanırlar. Ayrıca enerji yönetimi ile karbon salınımının azaltılması da çevreye katkı sağlar (Baysal, 2013). Endüstriyel ve ticari tüketiciler enerji yönetim uygulamalarından birisi olan talep tarafı cevabını yaygın olarak kullanmaktadırlar (Pipattanasomporn, Kuzlu, & Rahman, 2012). Dağıtım şirketleri gerekli gördükleri durumlarda bazı teşvik ve ödül sistemlerini kullanarak bu abonelerin enerji tüketimlerini sınırlandırmayı arzu etmektedirler. En yaygın talep taraf cevabı programı ise bir meskende çalışan cihazların enerji tüketimini
takip eden ve bunu kontrol altına alan Ev Enerji Yönetim (EEY) sistemidir (Baysal, 2013).
EEY sistemi, başlıca abonelerin elektrik faturasından tasarruf ve tarifelere göre puant güç talebinde azalma gibi faydalar sağlamakla birlikte çok farklı algoritmalara sahiptir (Tejani, Al-Kuwari, & Potdar, 2011). Şebekeden çekilen enerjinin yönetilmesini ve yenilenebilir enerji kaynaklarının (YEK) enerjisinin yönetilmesini, genellikle yüklerin ötelenmesi ve cihazların çalışma zamanlarında gecikme süresi belirlenerek farklı algoritmalar ile istenilen enerji yönetimi sağlanmaktadır (Wang, Sun, Zhou, & Dai, 2012). Bu tez projesi, bu enerji yönetimlerini içeren bir EEY sistemine sahiptir.
Ev otomasyon sistemlerinde tüketiciler için en önemli unsur maliyet ve sistem kurulum kolaylığıdır. Kablolu haberleşme sistemleri ile karşılaştırıldığında kablosuz haberleşme sistemleri çok sayıda avantaja sahiptir. İnsanlar evlerinin içinde kablo yığınları görmek istemezler. Bu noktada kablosuz uygulamaların önemi ortaya çıkmaktadır.
Kablosuz sensör ağ modelimizde protokolün verdiği oranda ağ genişletilerek uzak mesafelere veri iletimi ve veri alımı mümkün olmaktadır. Şu anda çok sayıda kablosuz sensör ağı protokolü mevcuttur. Bu tez projesinde kullanılmış olan ZigBee (CC2530 development kit) kablosuz sensör ağları tanıtılmış ve ZigBee kablosuz ağ diğer kablosuz ağlara göre kıyaslanmıştır (Uğuz, 2013).
Bu çalışmada, YEK entegrasyonuna sahip bir ev enerji yönetimi için yük ötelenmesi ve belirli bir gecikme süresinden sonra yükün devreye alınması ya da atılması konusunda bir akıllı EEY algoritması önerilmiştir. Tezde bahsedilen algoritma, güneş enerjisinin en yüksek olduğu saatler, çoklu tarifelendirme, tüketici talep gücü kriterlerini göz önüne almaktadır.
Akıllı EEY mimarisinde yazılımlarda tüketici talebi ve tepe yükün azaltılmasına göre evdeki enerji tüketiminin azaltılması amaçlanmaktadır. Sistem bir meskende sürekli çalışan cihazların uzaktan kontrolü ve izlenmesi için ZigBee kablosuz haberleşme altyapısına sahiptir (Elma, 2014).
1.1. Tez Çalışmasının Amacı ve Önemi
Akıllı şebeke uygulaması başta enerjinin üretimi, kontrolü, dağıtımı ve tüketimi gibi süreçlerin gözlemlenmesi ve yönetilmesini hedefleyen bir uygulamadır. Bu sayede, kayıp/kaçak oranının daha da azaltılması, enerji kalitesinin yükseltilmesi ve kesinti
sürelerinin en aza indirilmesi hedeflenmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin daha kolay ve hızlı bir şekilde enterkonnekte sisteme entegre edilebilmesine olanak sağlayabilir.
Akıllı şebeke mimarisinde haberleşme ve kontrol teknolojilerinin birlikte kullanımına ihtiyaç duyulmaktadır. ZigBee haberleşme sisteminin özellikleri sayesinde akıllı şebekeye katkısı görülmektedir ve akıllı şebekedeki kullanım amacı kablosuz bir sistem sağladığı için kablolu sistemlerdeki dezavantajları ortadan kaldırmaktadır. Tezde; ZigBee kablosuz ağı fotovoltaik güç kaynağına sahip şebeke sisteminde kullanılarak, akıllı bir şekilde herhangi bir cihazın uzaktan kontrolü gerçekleştirilmiştir. Akıllı şebekelerde amaç; durum analizi yapılarak, otomatik ölçüm sistemleriyle enerji kesintisini önlemek, aşırı yük ve arıza durumlarını kontrol altına alarak şebeke güvenilirliğini sağlamak, yenilenebilir enerji kaynaklarını sisteme dâhil etmek ve yönetilemeyen, izlenemeyen tüketimi ve enerji kayıplarını bu sistem sayesinde kontrol altına almaktır.
Elektrik üretim santralleri Türkiye’de genellikle enterkonnekte sisteme bağlı olarak çalışmaktadır. Akıllı şebeke sistemiyle, bütün şebekedeki verimlilik, kararlılık ve sistem güvenirliliği en iyi seviyeye çıkarılırken çevresel etkilerin en aza indirilebildiği bir işletim sağlanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının akıllı şebekeye eklenmesi ile çevresel etkilerin daha da azaldığı öngörülmektedir.
2.KAYNAK ARAŞTIRMASI
Yapılan bu tez çalışmasının kaynak araştırması aşağıdaki aşamalardan meydana gelmektedir.
İlk olarak akıllı şebekeler ve ZigBee kablosuz algılayıcı ağı hakkında literatür araştırması yapılmış, daha sonra ev enerji yönetimi hakkında araştırmalar yapılmıştır.
ZigBee kablosuz algılayıcı ağı konusunda günümüzde en yeni uygulama örnekleri İstanbul Teknik Üniversitesinde ZigBee kablosuz ağ algılayıcı kullanılarak bina içi güvenlik otomasyon sistemi Yalçın ve Arslan (2009) tarafından gerçekleştirilmiştir. Uygulamada, koordinatör ZigBee modülünün bağlı olduğu cihazdan veriler gönderilmiş ve diğer ZigBee modüllerine bağlı mikrodenetleyici kitler üzerinde kontrol işlemi gerçekleştirilmiştir.
Erol-Kantarcı ve arkadaşları (2010a) ev halkının elektrik tüketiminin karbon ayak izi üzerinde akıllı şebeke ev enerji yönetiminin etkilerini araştırmışlardır. Bazı saatlerde tüketici talebi baz santrallerinin kapasitesini aşar. Bu saatlere pik saatler denir. İşte bu pik saatlerde enerji yönetimi ile cihazların kullanımı azaltılmış ve böylece tüketicinin karbon ayak izi düşürülmüştür. Karbon ayak izi karbondioksit, ozon gibi sera gazlarının toplam miktarını vermektedir. Bu araştırma elektrik tüketimi yapan bir ev halkının karbon ayak izi üzerine etkilerini analiz etmiş, 4 cihaz için pik saatlerde elektrik tüketiminin CO2 (Karbondioksit) emisyonunu incelemiş ve enerji yönetimi ile enerji faturası, tepe yük ve karbondioksit emisyonunu azaltmak için çoklu faydalar sağladığını göstermiştir.
Erol-Kantarcı ve arkadaşları (2010b) tarafından akıllı şebekelerde tepe yükü azaltmak için sensör ağları ve ev enerji yönetiminin farkındalığı üzerine çalışmalar yapılmıştır. Konut enerji yönetiminde günün saatine bağlı olarak değişen yarar odaklı fiyat sinyalleri kullanılmış ve bu kullanıma (Time of Using (TOU)) zamana bağlı fiyat kullanımı denilmiştir. Zamana bağlı olan fiyatlar bir gün boyunca gerçek maliyetteki değişimi yansıtmış ve kablosuz algılayıcı ZigBee ile pik saatlerde tüketicinin talebinin azaltılması sağlanmıştır. Bu araştırma sonucunda ev enerji yönetim düzeneği tüketicinin enerji faturalarını düşürmüş ve tepe saatlerde cihazların kullanımını azaltmıştır. Alınan verilere göre enerji yönetimi olmadığı zaman 7 ayda tüketici %50 daha fazla fatura ödemiştir.
Alkar ve arkadaşları (2010) Web tabanlı ZigBee etkin ev otomasyon sistemi üzerine çalışmışlardır. Kullanıcı dostu güvenli bir web sunucusu internette arayüzü barındırmak için yapılmıştır. Her zaman açık olan bir kablosuz ağı kontrol etme veya
internet üzerinde yerel olarak veya uzaktan cihazın durumunu izlemek için ZigBee tabanlı EEY sistemi oluşturulmuştur. Bu araştırmada internetin kullanılabilirliği ve otomasyon sisteminde ZigBee kullanımı önerilmiştir. Çünkü ZigBee düşük maliyetli kullanışlı bir ev otomasyonu sağlamıştır. Sistem açık kapalı mantık ile basitçe düğüm tarafından birden fazla değer ile cihazların çalışmasını desteklemiştir. Sistem, kullanıcı ihtiyacına kolayca uyarlanmış, maliyeti uygun hem yerel arayüz hem de internet ortamından bilgi almak için tasarlanmıştır.
Jarventausta ve arkadaşları (2010) tarafından dağınık üretim ortamında akıllı şebeke güç sistem kontrolü gerçekleştirilmiştir. Akıllı şebekelerin genel yönleri tartışılmış ve ağ yönetimi, güç kalitesi izleme, dağınık üretim ve aktif dağıtım yönetimi gibi bazı dağıtım seviyesi akıllı şebeke özelliklerine odaklanmıştır.
Wade ve arkadaşları (2010) tarafından gelecekteki bir akıllı şebekede bir elektrik enerji depolama sisteminin yararlarının değerlendirmesi yapılmış, Durham üniversitesinde geliştirilen simülasyon yazılımından bulgular rapor edilmiş, birden fazla ağ üzerinde birden fazla olaya yanıt olarak bir enerji depolama işletim sisteminin getirdiği yararlar değerlendirilmiştir.
Byun ve arkadaşları (2013) yük tahmini ve kullanıcı modeline dayalı sistem ve yenilenebilir enerji yönetimi için akıllı enerji dağıtım ve yönetim sistemi gerçekleştirmişlerdir. Bu çalışmada ZigBee kablosuz algılayıcı ağ modülü, PLC, güç modülleri kullanılarak gerçek bir test sistemi oluşturulmuştur. Bu sistemde güç tüketimi, kullanıcı durumu ve dinamik kalıplar kullanılarak kontrol aletlerinin bilgileri izlenmiştir. Sonuçlar hizmet tepki süresinin azaldığını ve enerji tüketiminin yaklaşık olarak sırasıyla %45.6 ve %9-17 olduğunu göstermektedir.
Huang ve arkadaşları (2011) tarafından bina elektrik güvenliği için ZigBee tabanlı izleme ve koruma sistemi yapılmıştır. Sistem, uzaktan kumanda fonksiyonları içermiş ve şube devresi koruma stratejisi çıkışların aşırı yüklenmesi ya da aşırı ısınma nedeniyle beklenmedik afetleri önlemek için tasarlanmıştır.
IPV6 (İnternet Protokol Sürümü-6) ve ZigBee teknoloji tabanlı akıllı ev sistemi Zou ve arkadaşları (2011) tarafından gerçekleştirilmiştir. Uygulamada mevcut teknolojiler ile yönetilebilir bir kablosuz ev ağı oluşturmak için ZigBee ve IPV6 kullanılarak entegrasyon sağlanmıştır. Ev enerji yönetim sistemi, evlerde enerji tasarrufu için basit bir yaklaşım ile herkese daha yeşil, daha zeki bir yaşam sunmuştur.
Ma (2011) tarafından ZigBee teknoloji tabanlı kablosuz yangın alarm sisteminin tasarımı gerçekleştirilmiştir. Kablosuz otomatik alarm sistemi kablolu alarm sistemlerinin
sınırlamasını ortadan kaldırmak ve diğer kablosuz iletişim teknolojilerinin yüksek güç tüketiminden kaçınmak için ZigBee tabanlı inşa edilmiştir.
Qudaih ve Mitani (2011) tarafından YSA (Yapay Sinir Ağı) kullanarak Akıllı Şebeke uygulamaları için güç dağıtım sistem planlaması yapılmıştır. Bu çalışmada bir yapay zeka tekniği gerilim izleme ve üretim çıkış optimizasyonu için yapay sinir ağı şeklinde oluşturulmuştur. Kontrol edilebilir ve gözlemlenebilir güç dağıtım sisteminde sonuçlanan sinir ağının verimli bir şekilde kullanımını göstermektedir.
Lopes ve arkadaşları (2011) tarafından akıllı şebekeler için model tabanlı sistem mühendisliği yapılmış, model tabanlı sistem mühendisliği kullanarak, akıllı şebekeler tasarım sistemi gerçekleştirilmiştir.
Depuru ve arkadaşları (2011) tarafından elektrik şebekeleri için akıllı sayaçların kullanım zorlukları, sorunları, avantajları ve durumundan bahsedilmiştir.
Akıllı şebeke uygulamaları için bir kullanıcı modu dağınık enerji yönetimi mimarisi hakkında Alagöz ve arkadaşları (2012) tarafından araştırma yapılmıştır. Çalışmada gelecek dijital elektrik şebekesi kavramı için bir çerçeve çizilmiş ve çeşitli üretim ve tüketim olanakları ile ilgili değerlendirmeler yapılmıştır.
Samad ve Kiliccote (2012) tarafından endüstriyel sektör için akıllı şebeke teknolojileri ve uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada endüstri sektöründe akıllı şebekelerin ve elektriğin kullanımına bir bakış sağlanmış ve alüminyum işleme, çimento üretim, endüstriyel soğutma ve elektrik santralleri için örnek vaka çalışmaları gözden geçirilmiştir.
EEY ile ilgili araştırmalar içerisinde Gill ve arkadaşları (2012) tarafından Kablosuz Sensör Ağları Kullanılarak Akıllı Güç İzleme Sistemi üzerine çalışma yapılmıştır. Sistem ev aletlerinin akım, gerilim, güç değerlerini izlemek için dizayn edilmiştir. Sistem farklı tarife oranlarını takip ederek ve günlük kullanılan ev elektrik cihazlarını kontrol eden ve algılayan bir üniteden oluşmuştur. Xbee modül ile akıllı bir güç yönetimi sunulmuştur. Sistem pik saatlerde kısıtlı kaynakların kullanımını artırma ve tüketimi düşürme yönünde elektrik kullanım seviyelerini günlük pik saatlere göre belirleyen bir çözüm sunmuştur.
Sultan ve arkadaşları (2013) Enerji Tasarrufu Üretim & Yüklerinin Online-Durum İzlemesi için Yeni Bir Teknoloji adı altında bir çalışma yapmışlardır. Sistem ZigBee kablosuz ağı, izleme ve kontrol sistemi, yük kullanılarak akıllı bir sistem dizayn edilmiştir. Enerji tasarrufu için bir yöntem geliştirilerek elektrik kullanımı ve üretimi izlenerek sonuçta %30 elektrik tasarrufu sağlanmıştır. ZigBee kablosuz ağı kullanılan
sistem ile kabloların fazla kullanıldığı yerlerde avantaj sağlanmış ve büyük tasarruflar elde edilmiştir.
Zhou ve arkadaşları (2014) akıllı ev enerji yönetimi için gerçek zamanlı enerji kontrol yaklaşımı üzerine çalışmışlardır. Bu çalışma klima, su ısıtıcı, kurutma makinesi, elektrikli araç, fotovoltaik hücre, kritik yükler ve akü gibi cihazların gerçek zamanlı enerji kontrol yaklaşımını araştırmıştır. Yarım saat veya 15 dakika öncesinde haddeleme optimizasyonu ve gerçek zamanlı kontrol stratejisi karmaşık çalışma ortamları ile başa çıkmak için ve ev ekonomisi sağlamak için birleştirilmiş bir sistem tasarlanmıştır. Bulanık mantık denetleyici, sistemde akünün şarj ve deşarjını denetlemek için kullanılmıştır. Bu akıllı sistem faturayı azaltmış ve enerji tüketimini optimize etmiştir. Bu çalışmada kontrol edilen ve edilemeyen yükler üzerinde durulmuş ve zamana göre üç durum için belirli cihazlar kapalı açık mantığına göre çalıştırılarak elektrik tasarrufu sağlanmıştır. Sistem haddeleme optimizasyonunun öngörülen bilgiyi alıp yüksek fiyat periyotlarında enerji tüketimini kapatması ve gerçek zamanlı kontrol stratejisi ile koşula göre her cihaz için gerçek zamanlı güç ayarı yaparak çalışması prensibine dayanmaktadır. Araştırılan kaynaklara devam edildiğinde, Zhang ve arkadaşları (2013) kablosuz algılayıcı ağına dayanarak akıllı ev aletleri için uzaktan kumanda sistemi geliştirmiştir. Sistemde düşük maliyet ve düşük güç tüketiminden dolayı diğer bazı benzer çalışmalarda olduğu gibi ZigBee CC2430 tercih edilmiştir. ZigBee yöneticisi düğüm 1 ve düğüm 2’yi yöneterek klima ve lamba gibi ev cihazlarının kontrolü gerçekleştirilmiştir. İnternet arayüzü ve ZigBee çalışma akışı oluşturulmuştur. ZigBee ve GSM (Mobil İletişim için Küresel Sistem) teknolojisi kapsamlı araştırma temelinde ev içi kontrolünü oluşturacak şekilde ZigBee benimsenerek ve bilgi işlem merkezi gibi yüksek kod yoğunluklu çekirdek üzerine kurulu, yüksek performansa dayalı STM32 (Mikrodenetleyici Entegre Devresi) kullanarak iki tip uzaktan kontrol dizayn edilmiştir. Aynı zamanda bilgisayarda bir fonksiyon arayüzü geliştirilmiştir.
Sıfır enerji kullanmayı hedefleyen ev enerji yönetimi geleceği için enerji kullanımını azaltmaya dayalı bir akıllı enerji tasarrufu sistem uygulaması ve tasarımı Byun ve arkadaşları (2013) tarafından yapılmıştır.
Bir akıllı şebekede ZigBee aygıtları kullanılarak ev bina enerji yönetimi ve rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi izleme sistemi Batista ve arkadaşları (2013) tarafından yapılmıştır. Bu çalışmada güneş ve rüzgar sistemleri ve ev bina enerji yönetimi izleme için ZigBee teknolojileri ile açık kaynak araçları kullanılarak yeni ve kapsamlı alan testleri sağlanmıştır. Deneysel sonuçlar dağıtılmış yenilebilir üretim ve akıllı ölçüm
sistemlerinde uygulanan ZigBee cihazların yeterliliğini göstermiş ve akıllı şebeke altyapısı ve akıllı sayaçların önemini sunmuştur.
De Ridder ve arkadaşları (2013) tarafından akıllı şebekede elektrik aygıtlarının potansiyelini keşfetmek için bir aktivite tabanlı model uygulaması gerçekleştirilmiştir. Bu algoritmanın bir avantajı tüketicilerin gizliliği dahil olarak gelecekteki yörünge planlama, park süresi gibi sistemlerde potansiyel analizi akıllı bir şekilde gerçekleştirilecek olmasıdır.
Benzer bir çalışma Kumar ve arkadaşları (2014) tarafından yapılmıştır. Çoklu sırt çantası yük izleme analizi ile akıllı evlerin enerji yönetimi hakkında çalışarak güneş enerjisine entegre bir sistem ve ZigBee kablosuz teknolojisi kullanılarak yük kontrolü gerçekleştirmişlerdir. Sistemde ZigBee, mikrodenetleyiciden bilgiyi alıp yük yönetim merkezine iletmekte ve RS232 arayüzü kullanılarak iletişime geçilmektedir. Pik saatlerde enerji tüketiminin olduğu periyotlarda sonuçlar gözlenmiştir. Şebekede yük artınca elde edilen gerilim düşmekte, gerilim düştüğü zaman akım tüketimi artma eğiliminde olmaktadır. Akıllı ev enerji yönetimi ve yüklerin zamanlaması ve yönetimi için bir algoritma sunulmuştur. Farklı yük zamanlama metotları esnasında, elektrik faturaları ve enerji tüketimi azalmıştır. Bu metotla tüketici, yükü etkili bir şekilde kontrol edebilmiştir. Mohanapriya ve Banthika (2014) kablosuz sensör ağı kullanarak enerji kontrol sistemi gerçekleştirmiştir. Sistemde ZigBee, mikrodenetleyici, güç kaynağı, transistör ve kontaktör kullanarak yükün akıllı bir şekilde kontrolü gerçekleştirilmiştir. Son kullanılan cihazları yöneterek bir EEY sistemine kanıt sunulmuştur. Yük kontrolü için EEY haberleşme, enerji tüketimi boyunca gözlenmiş ve EEY birimi ile kontrol edilecek her bir yükün nasıl bir performans göstereceği değerlendirilmiştir. Çalışma altında olan 4 yüke gerilim, akım, aktif güç ve güç faktörü olarak elektriksel ölçüm yapılmıştır. Bu sistemin dağıtım şirketlerine elektrik güç yararı sağlaması mümkündür. Çünkü elektrik cihazları gibi yeni, yüksek güçlü yükler ile dağıtım transformatörlerinin fazla yüklenmemesine yardımcı olacaktır.
Moon ve arkadaşları (2014) tarafından ZigBee kablosuz ağı kullanılarak dönüştürücüye entegre edilmiş fotovoltaik modül için akım sensörsüz maksimum güç noktası izlemesi yapılmıştır. Kontrolü sağlamak için ZigBee (Xbee-pro) kablosuz iletişim ve DSP’nin seri iletişim arayüzünden yararlanılmıştır. Dalga formları incelenerek belirlenmiştir. Sonuçta sensörsüz maksimum güç izleme metodu FV dönüştürücüler entegre edilmiş modül ile daha verimli FV sistem yapılmıştır. Algoritmanın doğruluğu
için modül entegre edilmiş, dönüştürücünün deneysel donanım prototipi gerçekleştirilmiş ve uzun süreli deneysel testler yapılmıştır.
Batista ve arkadaşları (2014) ZigBee teknolojisi ile katmanlı akıllı şebeke mimarisi yaklaşımı ve alan testleri yapılmıştır. Sunulan mimari yıllar boyunca geliştirilen standartlar üzerinde duran, iyi tasarım yazılım mühendisliği çekirdeğine dayanır. Akıllı şebekeler için ZigBee teknolojisi uygulaması test metodolojisi sunulmuş ve ZigBee ile alan testleri yapılmıştır.
Mahmood ve arkadaşları (2014) tarafından akıllı şebekelerde kablosuz algılayıcı ağı kullanılarak enerji yönetimi için ev uygulamaları koordinasyon programı yapılmıştır. Ev enerji yönetimi şeması ev aletleri arasında iletişime dayanan merkezi bir enerji birimi akıllı sayaç ve ev içindeki depolama ünitesine dayalıdır. ZigBee protokolü kullanılarak bu şema farklı kurumlar arasında mesaj geçişi için kullanılmıştır.
3. MATERYAL VE YÖNTEM
Bugünün elektrik şebekesi, verimlilik, istikrar, güvenilirliği korumak için kontroller ve cihazlarla desteklenen dağıtım, iletim, üretimden oluşan bir yapı olarak faaliyet göstermek için tasarlanmıştır. Ancak sistem operatörleri artık eski sistemde hızlı teknolojik dağıtım ve farklı piyasa oyuncuları ve son kullanıcılar dâhil olmak üzere yeni sorunlarla karşı karşıya bulunmaktadır.
Akıllı şebeke, iç ve dış tehditlere karşı korumanın yanı sıra tahmin ve esnekliği artırmak için gerçek zamanlı ölçüm teknikleri ve iletişim destek programları ile donatılmıştır.
Akıllı şebeke tasarımı varlıklarının optimize edilmesi ve güç sektörünün yeniden yapılandırılması ve ayrıştırılmasına dayanmaktadır (Momoh, 2012).
Yeni şebekenin sunduğu yetenekler şunlardır;
i) Bölgeler arasında güç transferi ve programlarda kullanım belirsizlikleri ii) İletim ve dağıtım şebekelerinin iletim kapasitesini en iyi duruma getirme ve
artan kalite ve güvenilir kaynak ihtiyacını karşılama
iii) Yönetme ve operasyonlarda öngörülemeyen olaylar ve belirsizliklerin çözülmesi ve daha sıkı planlama (Momoh, 2012).
3.1.1. Akıllı şebeke için gerekçeler
i) Zamanında tüketiciye bilgi ve kontrol seçeneklerini sağlama ve akıllı şebeke teknolojileri, uygulamaların benimsenmesi için mantıksız veya gereksiz engellerin azaltılması ve saptanması
ii) Elektrik şebekesinin etkisini, güvenliğini ve verimliliğini artırmak için dijital bilgi ve kontrol teknolojisini artırmak
iii) Enerji verimliliği kaynakları ve talep yönlü kaynakların birleştirilmesi ve gelişimi iv) Tam siber güvenlikli kaynaklar ve şebeke işlemlerinin dinamik optimizasyonu v) Yenilenebilir kaynaklar dâhil olmak üzere üretim ve dağıtım kaynaklarının
entegrasyonu ve açılması
vi) Tüketici cihazları ve akıllı aletlerin entegrasyonu
vii) Şebeke opsiyonları sunan altyapı dâhil olmak üzere elektrik şebekesine bağlı cihaz ve ekipmanların birlikte çalışabilirliği ve iletişim için standartların gelişimi viii) Dağıtım otomasyonu ve statü ve şebeke operasyonları ile ilgili iletişim,
Sonuç olarak akıllı şebeke, otomasyon ve bilgi işlem teknolojileri kullanılarak elektrik ve bilgi altyapılarının bir araya getirilmesidir. Şekil 3.1’de akıllı şebeke altyapısının görünümü verilmiştir (İnönü, 2015).
Şekil 3.1. Akıllı şebeke altyapısı
Bazı tercih özelliklerine göre Akıllı şebekeler ve klasik şebekelerin karşılaştırılması Çizelge 3.1’de verilmiştir (Momoh, 2012).
Çizelge 3.1 Akıllı şebeke ve klasik şebeke karşılaştırılması
Aktif tüketici, katılım Tüketici bilgisiz ve katılmayan Bilgilendirilmiş, dahil tüketici, talep cevabı ve dağıtık enerji kaynakları
Tüm üretim ve depolama tercihleri
Merkezi üretim hakim, dağıtık enerji kaynakları için pek çok engel var
Birçok dağıtık enerji kaynağı ile yenilenebilir enerji kaynakları üzerinde kolaylıkla odaklanma Yeni ürünler, hizmetler ve
piyasalar
Sınırlı, kötü toptan piyasalarda entegre; tüketici için sınırlı fırsatlar
Olgun, toptan piyasalarda entegre, tüketiciler için yeni elektrik piyasalarının büyümesi Dijital ekonomi için güç
kalitesi sağlaması
Kesintiler üzerinden odaklanma, güç kalitesi sorunlarına yavaş yanıt
Kalite/fiyat çeşitliliğine göre öncelikli güç kalitesi sorunlarına hızlı cevap
Varlık optimizasyonu ve verimli çalışma
Varlık yönetimi ile operasyonel verilerin küçük entegrasyonu-iş süreci akışları
Şebeke parametrelerinin büyük ölçüde genişletilmiş veri toplama; önlemeye odaklama, tüketiciye etkisini azaltma
3.2. Talep Tarafı Entegrasyonu
Talep tarafı entegrasyonu güç kaynağının kalitesini artırmak ve operasyon yönetim destek ağı için yerel nesil ve yükler kullanmak için bir önlemler dizisidir. Talep tarafı entegrasyonu pik talebi azaltarak yeni altyapı yatırımlarını ertelemeye yardımcı olabilir. Uygulamada talep taraf entegrasyonu tüketicilere sağlanan bilgilerin zamanlanması ve kullanılabilirliği, talep tepki süresi ve zamanlaması, ölçüm ve son kullanım ekipmanların otomasyonu ve fiyatlandırma, sözleşme gibi durumlara bağlıdır (Ekanayake, 2012).
Anlamları benzer fakat odak noktaları farklı talep tarafında kullanılan bazı terimler vardır;
Talep Taraf Yönetimi:
Elektrik kullanımında müşteri etkisi açısından yarar sağlayan faaliyetlerdir. Bu planlama, uygulama ve elektrik kullanım alışkanlıklarını değiştirmek için tüketicileri teşvik etmek amacıyla tasarlanmış faaliyetlerin izlenmesini kapsar.
Talep Tarafı:
Koşulları sağlamak için tepki talebi yönetmek için kullanılan mekanizmalardır. Talep Tarafı Katılım:
Ekonomik, sistem güvenliği ve çevresel faydalarda katkı sağlamak için son kullanıcı müşteriler tarafından rekabetçi bir elektrik piyasasında kullanılan bir dizi stratejilerdir.
Talep tarafı entegrasyonu tarafından sağlanan hizmetler;
Talep tarafı entegrasyonu enerji artışında müşterilerin katılımını artırmak için rekabetçi elektrik piyasalarında kullanılabilecek stratejiler kümesini tanımlar.
Müşteriler piyasa fiyatlarına maruz kaldıklarında pik periyottan pik olmayan periyoda yükü kaydırarak veya yük kontrolü içinde pik talebi azaltma veya enerji verimliliği önlemleri veya dağıtık üretim yükleyerek sağlayabilirler (Ekanayake, 2012).
3.3. Fotovoltaik Sistemler
Fotoelektrik etkisinin bir uygulama şekli olan fotovoltaik, güneş ışığından elektrik enerjisi üreten yapılardır. İki yarı iletkenin birleştirilerek birbirleriyle temas halinde kullanıldığı yapı fotovoltaik hücrelerdir. Fotovoltaik hücrelerde ışık, elektronların bir yarı iletkenden diğerine geçişi sırasında meydana gelerek oluşur ve enerji kaynağı olmayan bu hücreler enerji depolayamazlar. Fotovoltaik hücreler güneşten gelen ışığı elektrik enerjisine dönüştürerek güneş enerjisi üretirler. Ancak, güneş ışığı kesildiği zaman elektrik enerjisi üretmeyi durdurur. Bu durumlarda enerjiyi depolamak veya aktarmak için akü gibi bir sistem gerekmektedir (Fanchi & John R., 2005). Güneş hücresinin genel görünümü Şekil 3.2’de verilmiştir (Academy, 2010).
Fotovoltaik, güneş ışığını aldığı zaman, elektriksel gerilim farkı (voltaj) üretimi yapabilme özelliğine sahip bir sistemdir. Foto ışık anlamına ve voltaik de elektrik anlamına geldiğinden bu sistemlere fotovoltaik denmeye başlanmıştır. Sonuç olarak, güneş enerjisini kullanılabilir güce çeviren fotovoltaik teknolojisi günümüzde artmaya başlamıştır.
Günümüzde yaygın olarak “Fotovoltaik pil” tanımlaması kullanılmaktadır. Ancak “bariyer tabakalı fotopil”, “kendi kendine üreten pil”, “güneş pili”, “fototronik fotopil” gibi isimler de kullanılmaktadır (Graf, 1999). Sonuç olarak güneş pilleri, yüzeylerine gelen güneş ışığını kullanarak doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletkenleri içerir. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında en temiz, çevre dostu yapılardandır (Messenger, 2003).
Şekil 3.2 Güneş hücresinin genel bir gösterimi
Şekil 3.3’te görüldüğü gibi güneş hücrelerinin paralel veya seri olarak bağlanması ile fotovoltaik modüller meydana gelir (Solarpower, 2010).
İki güneş hücresi paralel bağlandığında, voltaj sabit kalırken akım iki katına çıkar, seri bağlandığında ise, akım sabit kalırken, voltaj iki katına çıkar. Bunun sonucunda gerilimi 14-16 volta çıkarmak mümkündür. FV modüller, sert dış ortam şartları için tasarlanmış yapılardır. Güneş pillerinin ve elektriksel bağlantıların dış ortamdan korunması için bu fotovoltaik modüllerin kapsüllenmesi gerekir. Şekil 3.3’de görüldüğü gibi fotovoltaik modüllerin, paralel veya seri olarak bağlanması ile fotovoltaik diziler oluşur. Bunun sonucunda ise gerilimi 12-600 V arasında elde etmek mümkün olabilmektedir (Kalogirou, 2009). Bu amaçla tezde 250 W’lık 5 adet modülün seri bağlanması ile kurulum yapılmıştır ve sistem 1,25 kW tepe gücüne sahiptir.
Bir yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisi, fosil yakıtlardan elde edilen enerji sonucunda çevreye yayılan CO2 emisyonlarını azaltarak çevreyi korur. Doğrudan aydınlatma veya ısıtmada kullanılan güneş, fotovoltaik piller, modüller ile kurulacak paneller sayesinde ücretsiz elektrik enerjisi sağlar.
Şekil 3.3 Güneş pili, modül ve diziye ait görünüm
Teorik olarak günümüzde kurulabilen sistemler güneş enerjisinin çok az bir yüzdesini elektrik enerjisine dönüştürebilmektedirler. ‘‘Fotovoltaik (Photovoltaic) sistemler’’ güneş pilleri denilen yarı iletken ve diğer ekipmanlar vasıtasıyla güneş ışığından elektrik enerjisi üretebilir. Kısaca bu sistemlere ‘‘FV sistemler’’ adı verilir (Yerebakan, 2010).
Güneş ışığına herhangi bir işlem yapmadan ışığı doğrudan alıp elektrik enerjisine çeviren panellere Fotovoltaik (FV) paneller denir. Fotovoltaik sistemin avantajları; sistem herhangi bir kesinti durumunasahip değildir, az bakım ve uzun ömür sağlar ve sera gazı veya başka bir tür gaz üretmeyip çalışması sessizdir. Sistemin çıkışta istediği enerjiye göre fotovoltaik sistemler her güçte ve boyutta kurulabilir ve mevcut gücün artırılması için panel ilave edilerek sistemin kurulumu yapılır (Kalogirou, 2009).
Fotovoltaik paneller tarafından elektrik enerjisi doğru akım (DC) 12-24-48 Volt olarak üretilir ve doğru akım ile çalışan cihazlar doğrudan bu enerji ile beslenir. Fakat Türkiye’de konutlarda kullanılan şebeke elektriği alternatif akım (AC) 220 Volt olduğundan üretilen DC akımı AC akıma çevirmek için inverter (evirici) kullanılır (Yerebakan, 2010).
3.3.1. Şebekeye bağlı fotovoltaik sistem
Şebeke Bağlantılı Sistemlerde, kullanıcının enerji tüketimi, fotovoltaik sistemin ürettiği enerjiden karşılanır. Tüketimin üretimden fazla olduğu durumlarda kullanıcı tüketim fazlası enerjiyi şebekeden alır. Kullanıcının tüketimi üretiminden az olduğu durumlarda ise üretim fazlası enerji ile şebeke beslenir (Turan, 2015). Bu amaçla, bu tezde Şekil 3.4’te görülen yapıya benzer şebeke bağlantılı sistem kullanılmıştır (Lansyenerji, 2015).
Şekil 3.4 Şebeke bağlantılı sistem
Bu sistem elektrik şebekesine bağlı olarak çalıştığı için elektrik üretildiği yerde tüketilir, tüketilmediği zaman şebekeye enerji geri verilir. Enerjiyi depolama imkânı olmadığı için ilk kurulum maliyetleri daha uygundur (Bedeloğlu, 2010). Şebeke bağlantılı (On-Grid) fotovoltaik sistemlerin en gelişmişi, fotovoltaik elektrik santralleridir.
3.3.2. Şebekeden bağımsız fotovoltaik sistem
Şebekeden bağımsız sistemlere ‘‘Ada Tipi Sistem’’ adı verilir ve sistem elektrik enerjisinin depolanmasına ihtiyaç olmadığı için, yüklere doğrudan bağlantı yapılarak kurulabilir. Elektrik şebekesine erişimin olmadığı yerlerde ve elektrik enerjisinin depolanmasının gerektiği yerlerde batarya (akü) kullanılır. İlk kurulum maliyeti yüksektir. Bu yönden şebeke bağlantılı sisteme göre dezavantajlıdır (Bedeloğlu, 2010). Otonomi süresi boyunca (güneşten elektrik üretilemediği süreç) kullanıcının ihtiyacını karşılayacak şekilde sistemin kapasitesi ayarlanabilir (Turan, 2015). Şebekeden bağımsız sistem görünümü Şekil 3.5’te verilmiştir (Lansyenerji, 2015).
Şekil 3.5 Şebeke bağlantısız güneş enerji sistemi
Şebeke bağlantılı sistemlerin avantajları: Elektrik üretildiği yerde tüketilir ve şebeke iletim kayıpları ve yüklenmesi azaltılmış olur. Farklı ölçeklerde kurulum sağlanabilir. Şebeke bağlantısız sistemlere göre yüksek verimli ve ekonomiktirler.
Şebekeden Ayrık Sistemlerin Avantajları: Şebekenin olmaması halinde ekonomik çözümler sağlar. Küçük uygulamalarda kullanılan bu sistemlerin şebeke bağlantısının tesisi çok pahalıdır. Yakıt maliyeti yoktur. Kurulum nitelikli ve kolaydır. Sistemler enerji ihtiyacına göre artırılabilir. Aşama aşama kurulabildiği için esnek kurulum maliyetleri vardır (Keskin, 2011).
Sistemlerin karşılaştırılması Çizelge 3.2’de verilmiştir (Keskin, 2011).
Güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmenin, basit, çevre dostu yolu olan fotovoltaik sistemlerin araştırılması ve geliştirilmesi, maliyetinin düşürülerek yaygınlaştırılması uzun yıllar devam etmiştir. Büyük şirketlerin devreye girmesiyle fotovoltaik piller konusundaki teknolojik gelişmeler ve artan talep ve buna dayalı yüksek üretim kapasitesi, maliyetlerin hızla düşmesini de beraberinde getirmiştir. Yakın geçmişte çok pahalı olarak görülen fotovoltaik güç sistemleri, artık yakın gelecekte enerji üretimine katkı sağlayabilecek sistemler olarak görülebilmektedir (Demircan & Alakavuk, 2008).
Şebekeden ayrık sistemler Şebekeye bağlı sistemler
Limitli elektrik miktarı Limitsiz enerji sunumu
Esnek olmayan besleme Elektrik tüketiminden bağımsız
Enerji depolama Tamamen esnek
Taşınabilir sistemler Kullanıcıdan bağımsız
3.4. İnverter (Evirici)
İnverterler şebekeden bağımsız ve şebekeye bağlı sistemlerin her ikisinde de kullanılan bir cihazdır. Güneş panelleri tarafından elektrik enerjisi DC formda üretilir. Bu enerjiyi AC forma dönüştüren cihazlara inverter denir. Sistemin ürettiği 12-24 DC Volt olan doğru akımı evlerde kullanmak için, güneş panelinin çıkışına inverter bağlanarak 220 Volt 50 Hz şebeke elektriğine çevrilmesi sağlanır.
Şekil 3.6 Tezde kullanılan inverterin görünümü
Bu tezde Şekil 3.6’da görülen Fronius Galvo marka inverter kullanılmıştır (Fronius, 2016). Bu inverter 1,5 ila 3,1 kW arasında güç sınıflarına sahiptir ve genellikle müstakil evlerde kullanım için idealdir. Şahsi tüketim oranı entegre enerji yönetim fonksiyonu sayesinde yüksek seviyede tutulur. Fronius Galvo çok sayıda akıllı özelliği
ile gelecek garantisi sunan inverter türüdür. Temel özellikleri entegre veri kaydı, WLAN aracılığıyla kolay internet bağlantısı, sonradan donanım için kolay eklenebilir kart teknolojisidir.
Bu inverter galvanik izolasyon sayesinde tüm panel teknolojileri ile uyumludur ve kolay ve hızlı montaj için yeni geçmeli sisteme sahiptir. Düşük ağırlık (16,8 kg) ve kompakt boyutlara sahiptir. IP 55 koruma derecesi sayesinde açık ve kapalı alanlarda montaja uygundur (Fronius, 2016).
Şebeke bağlantılı inverterler, şebeke elektriğinin kesildiğini algılayabilir ve bu kesinti sırasında üzerindeki tüm enerjinin yüke aktarılmasını sağlayabilirler. Bu yüzden elektrik kesintileri için de şebekeye bağlı sistemler tercih edilmeye başlanmıştır. Bu tarz sistemler başta Avrupa olmak üzere birçok ülkede teşvik edilmiştir. İnvertör çıkışına yerleştirilen çift yönlü sayaç sayesinde üretilen ve şebekeden alınan elektriğin karşılaştırılması yapılabilmektedir.
Şebeke bağlantısız sistemler ise şebekeden ayrı olarak çalışırlar. Herhangi bir şebeke bağlantısı olmadığından yerel bir elektrik ağı kurulur ve kaynak olarak güneş enerjisini kullanır (Elektrikport, 2016).
Fotovoltaik sistemlerin izleme seçenekleri; 1.Enerji Sayacı
2.İnverter Ekranı
3.Veri kayıt sistemleri (Bilgisayar üzerinden veri analizi, İnternet portallarına veri iletimi)
Bu tez çalışmasında izleme sistemi bulunmasının sebepleri şunlardır (Keskin, 2011);
Sistem hatalarının erken ve kolay algılanması, günlük enerji üretimi, yüksek verim, arıza tespiti ve bakımı, sürekli veri kaydı, FV santrallerinin geri dönüş sürelerinin kısaltılması, verimlerini uzun yıllar korumalarını sağlar. İzleme sistemleri ile hızlı veri analizi ve verimdeki değişimlerin analiz edilmesi mümkün olmaktadır
3.5. Enerji Analizörü
Tezde kullanılan Şekil 3.7’de görünümü verilen ENTES marka enerji analizörü, sistemdeki her bir fazın aktif, reaktif ve görünür güç değeri ile aktif, reaktif enerji değerini ölçmek için kullanılmıştır (Entes, 2016). Tezde gerçekleştirilen algoritmada bunlar içerisinde ölçülen aktif güç değeri kullanılmıştır.
Şekil 3.7. Entes enerji analizörü 3.6. Arduino Mega
Arduino Processing/Wiring dilinin bir uygulamasını içeren geliştirme ortamından oluşan bir programlayıcıdır. Arduino kartları üzerinde Atmega firmasının 8 ve 32 bit mikrodenetleyicileri (Arduino due) bulunur ve mikrodenetleyiciler Arduino kütüphaneleri ile kolaylıkla programlanabilir. Analog ve dijital girişleri sayesinde analog ve dijital veriler işlenebilir ve sensörlerden gelen veriler kullanılabilir. Dış dünyayla ilişkili ses, ışık, hareket gibi çıktılar üretilebilir.
Şekil 3.8’deki gibi Arduino Mega 2560'da ATMega2560 mikrodenetleyici bulunur ve Giriş / Çıkış Sayısı Arduino Uno 'dan daha fazladır (Sainsmart, 2015). (54 Dijital G/Ç Pini, 14 PWM Çıkışı, 16 ADC Girişi). Hafızası da Arduino Uno'ya göre daha yüksektir (256 KB) (Robotiksistem, 2016).
Bu tezde Arduino evde kontrol edilmesine izin verilen esnek yüklerin (lambalar, klima, ısıtıcı, soğutucu) yönetimini gerçekleştirmek için kullanılmıştır.
Şekil 3.8 Aurdino mega
3.7. CC2530 ZigBee Geliştirme kiti
Şekil 3.9’da çeşitli kısa mesafeli kablosuz WLAN, WPAN, LR-WPAN ağlarının veri hızına göre güç tüketimi, maliyet, karmaşıklık değerlerine göre karşılaştırılması yapılmıştır (Uğuz, 2013). Görüldüğü üzere IEEE 802.15.4 standardında bu özelliklerin hepsinin düşük olduğu görülmektedir.
Şekil 3.9. Kısa mesafeli kablosuz ağların karşılaştrılması
IEEE 802.15.4 standardına dayanan ZigBee üst düzey haberleşme türü, düşük güç tüketimi, kısa mesafeli ve düşük veri hızına sahip bir kablosuz haberleşme protokolüdür.
ZigBee, düşük maliyetli ve uzun batarya ömrüne sahip olması açısından diğer haberleşme türlerinden üstündür ancak düşük veri hızı olan uygulamalarda kullanılması uygundur. ZigBee kablosuz algılayıcı ağı, yarı iletken endüstrisi, yazılım geliştiricileri, orijinal parça üreticileri (OEM) içeren yüzlerce şirketin üyesi olduğu ZigBee Alliance tarafından geliştirilmiştir (Uğuz, 2013).
3.7.1. ZigBee kablosuz ağın temel özellikleri
i) Güç tüketimi düşük, ii) Veri hızı düşük, iii) Uygun maliyetli, iv) 65000 düğüm desteği,
v) Diğer kablosuz ağlara göre küçük paket kullanımı,
vi) Kendi ağında otomatik Kurulum (Ajgaonkar, Wang, & Alam, 2010).
ZigBee, bluetooth ve Wi-fi gibi kablosuz ağların özellikleri ve karşılaştırılması Çizelge 3.3’te gösterilmiştir (Uğuz, 2013).
Çizelge 3.3. ZigBee, bluetooth ve Wi-fi kablosuz ağlarının karşılaştırılması
Enerji üretim ve tüketiminin denetlenmesi, kontrolü ve otomasyonu için ZigBee kullanımı ile elektrikli ev gereçlerinin, aydınlatma cihazlarının, elektronik aletlerin ve güvenlik sistemlerinin kontrolü sağlanmaktadır (Baysal, 2013). Tezde aşağıda belirtildiği şekilde bir haberleşme ağı kurulmuştur.
CC2530 2.4 Ghz lisansız ISM/SRD bandı için optimize edilmiş 8051 MCU çekirdek ve radyo ile Texas Instrument’ın (TI) ikinci nesil ZigBee IEEE 802.15.4 uyumlu mikrodenetleyicidir.
Buna bağlı olarak CC2530 zamanlama bilgileri paket taşıma, veri arabelleği, veri şifreleme, veri doğrulama, açık kanal değerlendirmesi, bağlantı kalitesi göstergesi ve paket için kapsamlı donanım desteği sağlar. Z-Stack IEEE 802.15.4 üretimler ve platformların büyüyen bir portföyü için TI ZigBee uyumlu protol yığınıdır. Z-stack CC2530’u destekler ve her iki ZigBee 2007, ZigBee 2006 ile uyumludur. CC2530 ZigBee geliştirme kiti IEEE.802.15.4 ve ZigBee uyumlu uygulamaları hedefleyen gösterim, değerlendirme ve donanım geliştirme için uygundur (Datasheet, 2016).
3.7.2. ZigBee Geliştirme Kit içeriği
ZigBee RF sistem ve ZigBee uygulamalarını gerçekleştirir. Z-stack ile kullanıcıya özgü ZigBee uygulama yazılımını gerçekleştirmek mümkündür. RF ölçümlerini oluşturmak için Şekil 3.10’da verilen Smart RF Studio yazılımı kullanılır (Datasheet, 2016).
CC2530 ZDK aşağıdakileri içerir (Şekil 3.11);
i) 2 tane SmartRF05EB değerlendirme bordu ii) 5 tane SmartRF05BB batarya bordu
iii) 7 tane CC2530 değerlendirme modülü (kit) iv) 2 tanesi sensor, demo collector için
v) 5 tanesi sensor, demo sensor içindir. vi) 7 tane anten
vii) 1 tane USB
Şekil 3.10. ZigBee uygulama yazılımı smart RF studio 7
3.7.2.1. SmartRF05EB (Değerlendirme bordu)
2x1,5 V AA batarya, USB, DC güç veya bir dış kaynak ile enerjilenir. Bu değerlendirme bordu değerlendirme modülü kontrol için USB vasıtasıyla bilgisayara bağlanabilir (Datasheet, 2016). ZigBee değerlendirme bordunun görünümü Şekil 3.12’de görülmektedir.
Şekil 3.12. ZigBee değerlendirme bordu 3.7.2.2. CC2530 değerlendirme modülü (kit)
Değerlendirme bordu RF, IC ve gerekli dış unsurlar ve RF’den en iyi şekilde faydalanmak için eşleşen filtreler içerir. Bu modül (Şekil 3.13) SmartRF05EB üzerindeki gerekli bölüme yerleştirilir (Datasheet, 2016).
3.7.2.3.CC2531 USB
Bilgisayara takılabilen bir USB aygıttır. 2 adet LED’e sahiptir. İki tane itme butonuna sahip ve konnektör delikleri harici sensörler veya cihazların bağlantısına izin verir (Şekil 3.14). USB bir paket dinleyici cihazı olarak kullanılabilecek şekilde firmware ile önceden programlanmıştır (Datasheet, 2016).
Şekil 3.14. ZigBee USB
3.7.2.4. SmartRF05BB (Batarya bordu)
CC2530EM kiti bağlı olduğu zaman bir bağımsız düğüm sağlayarak geliştirme borduna (EB) bir alternatif olarak üretilir. Batarya bordu 2 adet AA pil ile çalışmaktadır. 4 LED, 2 buton ve bir joystick içerir. Batarya bordu (BB) aynı zamanda SmartRF05EB gibi bir dış programlayıcıya bağlanmak için bir SOC (State of Charge) konnektörüne sahiptir (Datasheet, 2016).
Bu tezde akıllı sistemde ZigBee CC2530 geliştirme kiti kullanarak uzaktan yük kontrolünün gerçekleştirilmesi planlanmıştır (Şekil 3.15).
Şekil 3.15. ZigBee batarya bordu
3.8. Röle
Küçük değerli bir akım ile yüksek güçlü bir alıcıyı çalıştırabilen ya da anahtarlayabilen elemanlara röle denir. Otomatikleşen üretim araçlarında yüzlerce tip ve modelde röle kullanılmaktadır. Tek kontaklı ve 5–10 kontaklıya kadar geniş bir modele sahip rölelerin çalışması her modelde aynıdır.
Günümüzde Tristör ve Triyak'ların imal edilmesinden sonra kullanımı azalan röleler halen birçok alanda kullanılmaktadır. Tristör ve Triyak'lara göre avantajı birden fazla kontağa sahip olmasıyla birden fazla yükü aynı anda açıp kapatabilmeleridir.
Dezavantajı ise mekanik olarak çalıştığı için kontaklar sürekli birbirine yapışıp açıldıkları için oluşan elektrik atlamaları zamanla kontakların oksitlenmesine ve iletimini kaybetmesine neden olur. Kontakların çıkardığı ses bazen gürültülüdür.
Rölenin çalışması, demir nüve üzerine geçirilmiş makaraya ince telden çok sipirli olarak sarılmış bobine akım uygulandığında manyetik alan oluşturur ve bu alan bobinin içindeki nüveyi elektromıknatıs haline getirir, paletin kontaklarının konumunu değiştirir. Akım kesilince elektromıknatıslık ortadan kalkarak paleti geri çekerek kontakları ilk
konumuna gelir. Bir rölenin iç yapısı ve çalışması Şekil 3.16’da gösterilmiştir (Megep, 2007).
Şekil 3.16. Rölenin yapısı
Bu tezde kullanılan ve Şekil 3.17’de görülen röle 10 ampere dayanabilen bir röle çeşitidir.
Şekil 3.17. Tezde kullanılan röle
3.9. RTC (Real Time Clock) - Gerçek Zaman Saati
Mikrodenetleyiciye benzer olan bu cihaz işlem birimi, RAM, yazmaçlar ve veri yolu arabirimine sahiptir. “Saat” gibi çalışması için 32,768 kHz hızında bir kristal osilatöre sahiptir. DS1307 kütüphanesine sahip olan RTC’ler I2C seri veriyolu ile mikroişlemciler veya mikrodenetleyicilerle haberleşir. Verileri bir sıra halinde gönderir. O sıraya göre ay, yıl, gün, saat bilgisi mikrodenetleyici tarafından yorumlanıp kullanılmak üzere kaydedilir. İlk değer kaydedileceği zaman da mikrodenetleyici tarafından veriler RTC’nin içerisine yazılır. İlk değer doğru bir şekilde verildiğinde RTC’yi yüksek hassasiyetle uzun süre (hatta yıllarca) çalıştırmak mümkün olur çünkü çok az güç harcarlar (Besvolt.wordpress, 2015). Bir Gerçek Zaman Saatinin çalışma devresi Şekil 3.18’de gösterilmiştir (Datasheet, 2015).
Şekil 3.18. RTC için çalışma devresi
3.10. Bulanık Mantık Denetleyici
Bulanık mantık, 1965 yılında ilk defa Lotfi Zadeh tarafından ortaya koyulmuş olup, başarılı şekilde gerçekleştirilmiş olan bir çok denetim uygulamasına sahiptir (Zadeh, 1988). Bulanık mantık, modern bilimsel ve teknolojik aygıtlar ile insan arasında boşluk doldurucu bir görev alır.
Bulanık mantık teknolojisi karmaşık endüstriyel projelerin yanında, beyaz eşyalarda da kullanım alanı bulmaktadır. Örnek olarak çamaşır makinelerinde, mikrodalga fırınlarda, elektrik süpürgelerinde, asansör, tren, vinç, otomotiv, trafik kontrolü gibi sistemlerde ve teşhis, güvenlik, veri sıkıştırma gibi yazılım uygulamalarında (BMD) kullanılmaktadır (Feng, 2006; Reznik, 1997).
Günlük hayatta bazen kesin olduğu düşünülen ancak kesin olmayan durumlar vardır. Bu durumlar bazı kabullerin yapılmasından sonra sistematik bir biçimde öngörülebilmesi ile olmaktadır. Bu belirsizliklerin ortadan kaldırılmasında bulanık mantık teorisi yardımcı olmaktadır.
Bir bilgisayar mantık devrimi olan bulanık mantık, insan davranışlarına benzer mantıksal uygulamalarla, bilgisayarlara yardım eder. Bulanık mantığın endüstride kullanımının getirdiği avantajlar; verimliliği artırması, daha uygun üretim sağlaması, zamandan tasarruf ve ekonomik açıdan fayda sağlamasıdır (Kıyak, 2003).
Bulanık mantığın temelde sağladığı avantajlar şu şekilde sıralanabilir (Çiftçi, 2002; Şen, 2001);
i) İnsan düşüncesine yakın olması,
ii) Uygulamasında matematiksel bir modele gerek duymaması, iii) Yazılımın basit olmasıyla ekonomik kurulum,
iv) Kavramasının kolay olması,
v) Üyelik değerlerinin kullanımı sayesinde daha esnek olması, vi) Kesinlik arz etmeyen bilgilerin kullanılması,
vii) Doğrusal olmayan fonksiyonların modellenmesi.
3.10.1. Bulanık kontrol sistemi
Bulanık mantık denetleyicileri, kesin ve tam matematik modellere ihtiyaç duymaz. Sistemlerin çoğunda benzer model ölçümlerini belirtmek zordur. Karmaşık bulanık mantık denetiminin denetlenmesi zordur fakat bu sistemi kullanmak da zorunlu hale gelmektedir (Taşkın, 1996).
Uzman bir sistem operatörünün bilgi, deneyim, sezgi ve kontrol stratejisini, bulanık mantık denetleyiciler kontrolcü tasarımında bilgi tabanı olarak oluşturmaktadır. Bilgi ve deneyime dayanan kontrol işlemleri sözel kurallarla gerçekleştirilir. Örneğin bir kişi, sistem için gerekli olan değer aralıklarını “küçük”, “orta”, “büyük” gibi terimlerle tanımlarsa, “EĞER-ÖYLEYSE” (IF-THEN) komutları kullanılarak bir kural tabanı elde edilebilecektir (Şenol, 2000).
Mamdani ve Assilian tarafından küçük bir buhar makinesinin kontrolü yapılarak ilk bulanık mantık denetimi gerçekleştirilmiştir. Sezgisel denetim kurallar kümesini oluşturan Bulanık Mantık denetim algoritması, dilsel terimleri de ifade etmek için bulanık kümeler ve kuralları değerlendirmek için bulanık mantık kullanılmaktadır. BMD sistem temel yapısı bulanıklaştırma birimi, bilgi tabanı, karar üretme mantığı ve durulaştırma birimi olarak dört bölümden (Şekil 3.19) oluşmaktadır (Lee, 1990).
Bulanıklaştırıcı birim, ilk kısımdır. Bu kısımda kesin veya geri besleme sonuçları biçiminde olan bilgiler bir ölçek değişikliğine uğratılarak bulanıklaştırılmaktadır (Kıyak, 2003). Sonuç çıkarım kısmına gelen bilgiler, bilgi tabanında depolanırlar ve, veri ve kural tabanına dayalı “if-then-else” şeklindeki kural işleme bilgileri ile birleştirilir. Burada sözü edilen mantıksal önermeler, sayısal değerlerle problemin yapısına göre kurgulanabilir. Son bölümde ise mantıksal karar önermeleri kullanılarak elde edilen sonuçlar durulaştırıcı kısmına verilir. Durulaştırıcı kısmına gönderilen bulanık küme, bir ölçek değişikliğine uğratılarak bulanık haldeki bilgiler gerçel sayılara dönüştürülür (Akdemir, 2001).
Tezde; akıllı şebekeler için enerji yönetim sisteminin gerçekleştirilmesinde üç giriş kullanılarak bir çıkışın elde edildiği bulanık mantık denetleyici sistemi Şekil 3.20’de gösterilmiştir. Bu bölümde, bulanık mantık denetleyicinin gerçekleştirilmesi için gerekli aşamalar açıklanmıştır. Sistem üç giriş değişkenine sahiptir. İlk giriş Konya iline bağlı herhangi bir gün içinde 24 saat ölçülen, 1,25 kWp’lık güneş panelinden alınan üretim değerleri, ikinci giriş herhangi bir gün içinde 24 saat ölçülen güç değeri (elektrik şirketinden elde edilmiştir) ve üçüncü giriş olarak Türkiye'de 2016 yılındaki Perakende Elektrik Tarifeleri Tablosu kullanılmıştır. Bu üç girişe göre çıkışta elektriksel uygulamalar için yüzde güç değeri elde edilmektedir.
Şekil 3.20. Üç girişli bir çıkışlı bulanık mantık denetleyici sistemi
(a) (b)
(c) (d)
Şekil 3.21. (a) Fotovoltaik güç için üyelik fonksiyonları (b) tüketici talep gücü için üyelik
fonksiyonları (c) elektrik Fiyatı için üyelik fonksiyonları (d) elektriksel uygulamalar yüzde güç değeri için üyelik fonksiyonları
ii) Bulanık Kuralların Oluşturulması
Sistem giriş ve çıkışını if .... then .... else .... biçimine sahip koşul cümleleriyle birbirine bağlamaktadır. Sistemde 75 kural belirlenmiştir ve bu kurallar Çizelge 3.4’te verilmiştir. Çizelge benzer şekilde devam etmektedir ancak çizelgenin tamamı tezde kapladığı yer açısından verilmemiştir.
iii) Sistemin Bulanık Çıkarımı ve Durulaştırılması
Şekil 3.22’de bulanık mantık denetleyiciye verilen değerler ile sistem bulanık çıkarımı elde edilmiştir. Şekil 3.22(a)’da bütün girişler orta düzeydeki değerlerde alındığında çıkış orta düzeyde bir değer vermiştir. Şekil 3.22 (b)’de diğer girişler düşük güneş paneli gücü yüksek alındığında çıkışta yüksek bir değer elde edilmiştir. Şekil 3.22(c)’de diğer girişler yüksek, güneş paneli gücü düşük alındığında çıkışta düşük bir değer verildiği açıkça görülmektedir. Sistemde FV sistem etkisinin önemli bir faktör olduğu görülmüştür.
KURAL SAYISI GİRİŞ 1 GİRİŞ 2 GİRİŞ 3 ÇIKIŞ
Fotovoltaik Güç Tüketici Talep Gücü
Elektrik Fiyat Girişi
Elektriksel Uygulamalar için Yüzde Güç
1 Çok düşük Çok Yüksek Çok yüksek Düşük
2 Çok düşük Çok yüksek Yüksek Düşük
3 Çok düşük Yüksek Çok yüksek Düşük
4 Çok düşük Yüksek Yüksek Düşük
5 -- -- -- --
6 -- -- -- --
Şekil 3.23’te elde edilen sonuca bakıldığında sarı alan istenilen bölgedir. Bu alanda FV güç en yüksek, tüketici talep gücü en düşük, elektrik fiyatı en düşük durumdayken çıkıştaki elektriksel uygulamalar için yüzde güç değeri, yani o anda çalıştırılması mümkün olan elektrikli cihazların maksimum gücü %100’e yakındır. Gerçek güç değerini, kullanıcı tarafından çalıştırılması istenen esnek yüklerin toplam gücü belirlemektedir. Çıkış gücünün yüzde olarak belirlenmesi farklı uygulamalar için de önerilen yöntemin kolayca kullanılabilmesini mümkün kılmaktadır.
Klasik denetim sistemlerindekinin aksine, sistemlerin matematiksel modeline gerek duymayan bulanık mantık sistemi, istenilen çıkışı verecek şekilde girişe uygulanan işaret ayarlanarak bulanık denetimin işlemesi sağlanır. Yani bulanık mantık makinelerin insanlar gibi kararlar vermesini sağlar.
Yapay sinir ağları veya genetik algoritmalarla bulanık mantığın desteklenmesi sonucu nöral-bulanık sistemler, veya genetik-bulanık sistemler ortaya çıkmıştır. Yapay zeka algoritmalarının da dahil edilmesiyle Akıllı Şebekelerde hızlı bir gelişme kaydedilmesi planlanmaktadır. (Gupta and Sinha (Ed.), 1996; Jang, 1996).
(a)
(b)
(c)
Şekil 3.22. Bulanık mantık denetleyici sistem çıkarımı: (a) çıkışta elektriksel yüzde gücü %50
Şekil 3.23. Giriş-çıkış ilişkileri tepki yüzeyi
3.11. Yöntem
Bu tez çalışmasında tüketimdeki belirsizlikler yönünden araştırmalar yapılmıştır ve sonuç olarak tüketimdeki belirsizlikleri azaltmak için yapılabilecek iki yöntem olduğu sonucuna varılmıştır. Bunlardan ilki yük tahminidir. İkincisi ise, talep tarafı yönetimidir. Yük tahmini yönetimi şebeke yöneticisinin, tüketicinin kullanacağı enerji miktarını ve kullanma zamanını ayarlayan bir program ve aktivite gerçekleştirmesidir. Talep tarafı yönetiminin asıl amacı pik yükü azaltmaktır. Enerji seviyesini azaltarak, yük öteleme, yük atma ve belirli bir gecikme süresinden sonra devreye yük alma gibi işlemleri gerçekleştirerek enerji tasarrufu sağlar. Ayrıca tüketici yükü kontrol ederek sistemin daha verimli olmasını sağlayacaktır. Bu tezde bir talep tarafı programında şebekedeki pik seviyesini azaltmak için elektrik tüketim zamanlarını değiştirmeye yönelik bir algoritma gerçekleştirilerek şebeke bağlantılı bir FV sistem üzerinde uygulaması yapılmıştır. Talep tarafı yönetimi tüketiciye düşük fiyatlardan enerji sağlar ve enerji kesintisi ve arıza sürelerini azaltır. En çok kullanılan talep tarafı yönetim metotları Şekil 3.24’te gösterilmiştir (Macedo, Galo, de Almeida, & Lima, 2015).
Şekil 3.24. Talep tarafı yönetim metotları
Tepe kırpma (peak clipping): Yük kesme, ağır bir yük için zaman içinde talep azaltımı. Yük kontrolü, tüketici ekipmanları, veya dağıtılan üretimi kapatma ile tepe süresi doğrudan azaltılabilir.
Vadi doldurma (valley filling): Pik zamanların dışında kullanım teşvik edilir. Özellikle elektrik fiyatının düşük olduğu sürelerde pik olmayan zamanlardaki tüketim artırılabilir. Böylece ortalama fiyat düşer ve sistemin enerji verimliliği artar. Faturada indirim ve bazı özel müşterilerin kullanım alışkanlıklarını değiştirmek için motive edilmesi gibi teşvikler verilebilir.
Stratejik koruma (strategic conservation): Tüketimin verimliliği artırılarak ve enerji israfı azaltılarak mevsimsel enerji tüketimi düşürülür. Bu program oldukça kapsamlı ve teknolojik değişim için teşvikler içermelidir.
Stratejik yük büyütme (strategic load growth): Mevsimsel enerji tüketimi kontrol edilir. Şirketlerin kendi amaçlarına erişmek için daha akıllı prosesleri, daha verimli ekipmanları ve daha rekabetçi enerji kaynaklarını devreye almaları sağlanır.
